JP2012519866A

JP2012519866A - 欠点検査のための検査装置

Info

Publication number: JP2012519866A
Application number: JP2011553931A
Authority: JP
Inventors: ゼ，スンリー; スーチャン，キ
Original assignee: ３ビーシステムインコーポレイテッド
Priority date: 2009-03-09
Filing date: 2009-12-17
Publication date: 2012-08-30
Also published as: WO2010104265A2; CN102348955A; KR20100101259A; US20110317156A1; KR101114362B1; WO2010104265A3; EP2426457A2

Abstract

本発明は、再帰反射板を凸レンズ又は凹面鏡のように使用し、透明又は反射体からなる被検体が屈曲したり、被検体の移動中に振動が発生する場合にも安定的に欠点を検出できるようにし、検査領域で起きる透過検査時の密度勾配と反射検査時の反射角度の変化を用いて測定領域を通過又は反射する平行光の変位現象を捕捉する検査方法である。また、本発明は、透過光又は反射光が集まるカメラレンズの前面にはナイフエッジを光軸に対して水平に設置し、平行光から逸脱した光を遮断することによって、カメラには検査領域の密度勾配に起因する光の明暗の変化が得られ、３次元欠点映像を得られるようにする欠点検査のための検査装置である。
【選択図】図３

Description

本発明は、不透明板又は透明板をはじめとする被検体の内部又は表面に形成された気泡、微小変形、異物、穿孔などの欠点を検査するための検査装置に関するもので、より詳細には、ナイフエッジと再帰反射板を設置し、被検体に振動又は反りが生じる場合にも、欠点部位の映像を鮮明且つ安定的に得られるようにする欠点検査のための検査装置に関するものである。

図１は、一般的な反射光学系で上方又は下方に反った反射板にシートビームが入射されるとき、反射板に入射されるシートビームに対する映像を示したものである。

図１の左側に示した被検体（ｓｈｅｅｔ）は、端部が上方に反った場合の光経路を示したもので、右側に示した被検体は、端部が下方に反った場合を示したものである。

図１の左側に示すように、カメラ１の光軸と同一の経路のシートビームは、照明装置３から被検体５に照射された後、被検体５から反射され、被検体５から反射された反射光は反射紙７に入射される。

被検体５に反り現象がない場合、被検体５に入射された光は、点線のように反射紙７に入射された後、反射紙７から反射される。その後、被検体５から反射された光はカメラ１に入射され、被検体５の映像がカメラ１に撮影される。しかし、被検体５の上方に反った部分に照射されたシートビームは、実線のように反射紙７に入射され、反射紙７から反射された光は被検体５に再び入射されないので、結局、カメラ１に被検体５の映像が撮影されなくなる。

図１の左側下端の映像は、反射紙７に入射される点線の正常シートビームと、反り現象がある場合の実線のシートビームを撮影したものである。

また、被検体５が下方に反った場合にも、図１の右側上部に示すように、シートビームが点線の正常経路から下部に離隔して入射されるので、反射紙７を正面から見ると、正常経路の場合の明るい線（点線）より下部に離隔した部位に明るい線（実線）を形成するようになる。被検体５が正常な場合、反射紙から反射された光は、正常経路に沿って被検体５から再反射され、カメラ１に被検体５の映像を形成するようになる。しかし、被検体５が非正常的に反ると、反射紙７は入射角と反射角とが同一な一般の反射紙であるので、反射紙７から反射される光が被検体５面に到達できなくなり、結局、被検体に反りが生じる場合、カメラ１には被検体５の光入射部分の映像が得られない。

このような現象は、被検体５に振動が発生する現象にもそのまま適用することができる。

図２は、従来に光源から被検体に光を照射するときの欠点による屈折現象を説明する光学系を示す図である。

光源２５などの点光源からスクリーン９に光が照射されるとき、スクリーン９の明るさを１単位とする。このとき、屈折率に変化を与え得る異常現象、例えば、密度、異物、変形など（以下、欠点という。）が屈折角に変化を与える。欠点１１によって光が屈折されると、欠点１１がないときの光経路（点線）と出会う位置に光が到達しないので、スクリーン上の点線の終端部分は０単位の明るさを有するようになり、欠点１１によって屈折された光が出会うスクリーン９部分の明るさは２単位に変換される。

このように、欠点１１によって明るさが０である部分と２である部分に急激に変化すると、映像の明るい部分と暗い部分との間の明るさの急激な変化が発生するようになり、欠点１１の正確な形状を把握することができない。すなわち、このように急激に明るさが変化すると、明るさ勾配（ｇｒａｄｉｅｎｔ）を得ることができなく、欠点１１の輪郭のみがスクリーン９上に形成されるようになり、結局、欠点１１の実質的な形態を判読できる映像を得ることができない。

本発明は、前記のような問題を解決するためのもので、本発明の解決課題は、光を遮断するナイフエッジ（ｋｎｉｆｅｅｄｇｅ）を用いて明るさ変化勾配を有する映像を得ることによって、欠点の形状を正確に把握できる検査装置を提供することにある。

本発明の他の解決課題は、被検体に反り現象が発生する場合にも、再帰反射紙に入射される角度で光が再反射される性質を用いて正確に被検体を撮影することができ、被検体に振動が発生する場合、再帰反射紙は、被検体に振動が生じない場合と同様に入射された光を再反射させ、正確に被検体を撮影できる検査装置を提供することにある。

前記解決課題のための本発明の解決手段は、入射される光を反射させる反射被検体に光を照射する光源と；前記反射被検体から反射されてから入射される光を前記反射被検体に再帰反射させる再帰反射板と；前記再帰反射板から再帰反射された再帰反射光が前記反射被検体に入射されてから反射される反射光を結像させる結像レンズと；前記結像レンズを通して入射される光を撮像する撮像と；前記結像レンズと前記反射被検体との間に設置され、前記結像レンズの光軸に対して垂直に設置されるナイフエッジと；を含む。

また、本発明の他の解決手段は、入射される光を透過させる透過被検体に光を照射する光源と；前記透過被検体に透過されて入射された光を前記透過被検体に再帰反射させる再帰反射板と；前記光源と前記透過被検体との間に設置され、スリットが形成されたマスクと；入射された光によって像を形成する撮像手段と；前記再帰反射板から再帰反射されて前記透過被検体を透過した光を集束させ、前記撮像手段に結像する結像レンズと；前記結像レンズと前記透過被検体との間に設置され、前記結像レンズの光軸に対して垂直に設置されるナイフエッジと；を含む。

前記の解決課題と解決手段を有する本発明によると、ナイフエッジによって映像の明るさに勾配を有する敏感度の高い映像を得ることによって、被検体の欠点を明確に認識することができる。

また、本発明の再帰反射板の使用により、被検体が曲面を形成したり、被検体に機械的振動が発生する場合にも安定的に欠点を探すことができる。

一般的な反射光学系で上方又は下方に反った反射板にシートビームが入射されるとき、反射板に入射されるシートビームに対する映像を示した図である。従来に光源から被検体に光を照射するときの欠点による屈折現象を説明する光学系を示した図である。本発明においてナイフエッジの原理を説明する光学構成図である。本発明において被検体の内部を透過する光の経路を説明する光学構成図である。本発明において被検体の表面から反射される光の経路を説明する光学構成図である。本発明の一実施例を用いて透明サンプルを検査するための構成図である。図６の光経路を説明する光経路図である。本発明において撮影された欠点の映像を３次元化して示したグラフである。図７と対比するためにナイフエッジを使用しない場合を示した光経路図である。本発明において再帰反射板が振動に鈍感であることを説明する光経路図である。本発明において再帰反射板が凹面鏡の役割をし、送った光が焦点に再び集まることを説明する光経路図である。本発明の他の実施例において反射被検体に対する光経路を示した構成図である。本発明の反射被検体でのナイフエッジの設置効果を説明する構成図であって、映像及び明るさの強さを示した図である。

以下、添付の図面に基づいて本発明を詳細に説明する。

図３は、本発明においてナイフエッジの原理を説明する光学構成図である。

フィールドレンズ１５の左側焦点には点光源２５が位置しており、光源２５から発散された光は、フィールドレンズ１５の右側焦点を通過してスクリーン９に照射される。フィールドレンズ１５とフィールドレンズ１５の右側焦点との間に欠点１１がある場合、欠点１１を通過する光の光路は点線の正常光路から屈折され、右側焦点に位置したエッジ、望ましくは、端部が鋭い板状からなるナイフエッジ１３を通過できずに終端する。

また、図３の光源２５から発散される光の強さが図２の光源２５から発散される光の強さと同一であるとするとき、ナイフエッジ１３により、フィールドレンズ１５を通過する光の半分のみがスクリーン９を照明するので、図２でスクリーン９上の各点での明るさを１単位とすると、図３でのスクリーン９の各点での明るさは０．５単位になる。図２で欠点１１によって屈折された光は、スクリーン９上の隣接した点の明るさを２単位に補強させるが、図３では欠点１１によって屈折された光がナイフエッジ１３によって遮断されるので、スクリーン１３の隣接した点を補強させなくなる。すなわち、欠点１１が存在する場合、図３で欠点１１がない場合にスクリーン上に到達する正常光線である点線の光線がスクリーン上でぶつかる位置は、光線が進入しないことから０単位の明るさを有するが、スクリーン上の隣接した点には明るさの変化がなくなる。結局、図３に示すように、ナイフエッジ１３を使用して一部の光線を遮断させると、欠点１１によるスクリーン上の明るさの変化値が小さくなるので、スクリーン上の明るさの勾配が抽出される。したがって、図３のようにナイフエッジ１３を使用すると、被検体の輪郭だけでなく、明るさの勾配を有する被検体の鮮明な映像を得ることができる。

図４は、本発明において被検体の内部を透過する光の経路を説明する光学構成図で、図５は、本発明において被検体の表面から反射される光の経路を説明する光学構成図である。

図４に示すように、フィールドレンズ１７の左側焦点にはシートビームを発生させる光源２５が位置し、フィールドレンズ１７の右側焦点にはナイフエッジ１３が位置し、フィールドレンズ１７とナイフエッジ１３との間に被検体１９が位置する。被検体１９を透過する光は結像レンズ２１を通過し、ラインＣＣＤ２３には透明被検体の映像が形成される。

このとき、ナイフエッジ１３は、結像レンズ２１の光軸に対して垂直に設置され、先端面を光軸に接近させることによって、被検体１９に形成された欠点の映像から表面の屈曲や内部の欠点を鮮明に得ることができる。

また、図５に示すように、被検体２７の上部には被検体の表面に傾斜して光が入射されるように光源２５とフィールドレンズ１７が設置され、反射型被検体２７の表面から反射された光は、結像レンズ２１を通過してラインＣＣＤ２３に映像を形成し、フィールドレンズ１７の焦点にはナイフエッジ１３が設置され、ラインＣＣＤ２３に鮮明な映像が形成される。

図６は、本発明の一実施例を用いて透明サンプルを検査するための構成図で、図７は、図６の光経路を説明する光経路図で、図８は、本発明において撮影された欠点の映像を３次元化して示したグラフで、図９は、図７と対比するためにナイフエッジを使用しない場合を示した光経路図である。

シートビームを発生させる光源２５から発散された光は、地面に傾斜して設置されたハーフミラー２９によって反射され、光は地面と平行に再帰反射板３１に入射され、再帰反射板３１から反射された光はハーフミラー２９に向かって再反射され、ハーフミラー２９に入射された光は、透過された後、結像レンズ２１を通過してラインＣＣＤ２３に結像される。

また、再帰反射板３１とハーフミラー２９との間に発生する多数の光路の光の干渉を減少させるために、光がスリットを通過して再帰反射板３１に入射されるようにするマスク３３が設置され、マスク３３の裏面には、透明被検体３５が矢印と同一の方向に移動しながらスキャニングされる。

また、結像レンズ２１の左側焦点には、ナイフエッジ１３が光軸に設置されており、結像レンズ２１に入射される光量は、光量の強さに対する勾配を得るようになる。図７のＡは、ナイフエッジ１３の移動に対する光量調節を説明するもので、Ａにおいて、横方向の実線（ａ）は、ナイフエッジ１３の上端が光軸に一致するように位置するときを意味し、点線（ｂ）は、被検体３５に形成された凸状欠点３７よって光源からのシートビームの屈折角が変化することから、光路が曲がって下方に移動した状態を意味する。

図７に示すように、正常状態での透明被検体３５の映像は、（○２）のような光経路によってラインＣＣＤ２３に結像されるが、透明被検体３５に凸状欠点３７が形成されている場合、屈折光（○３）が発生するようになり、ナイフエッジ１３によって屈折光（○３）のラインＣＣＤ２３への到達が遮断され、屈折部位に対する映像は暗くなる。

このとき、再帰反射板３１は、光源から入射された光を光源側に再び反射させることによって、透明被検体３５に振動や屈曲が生じた場合にも正確な映像を得られるようにする。図７のＢは、ラインＣＣＤ２３にスキャニングされた映像を示し、ＣはＢの縦断面の光量の強さを示したグラフである。図７のＢの映像から分かるように、欠点の輪郭だけでなく、全体的な欠点の形状を得ることができ、光量グラフ（Ｃ）に示したように、明るい部分と暗い部分との間が連続曲線となっており、光量強さの勾配を得ることができる。このような勾配を得られる映像は、図８のように欠点映像を３次元化するのに使用できるので、欠点映像の様子を具体的に確認することができる。

しかし、図９に示すように、ナイフエッジを使用しない場合の欠点の映像には、輪郭のみが現れるようになり、光量グラフに示すように明るさが急激に変化するので、明るさの勾配と３次元映像を得ることができない。

図１０は、本発明において再帰反射板の役割を説明する光経路図である。

図１０の（ａ）は、光源から出た光が一般の反射板にぶつかるときの光経路を示したもので、反射板から反射された光が多様な方向に反射されるので、極めて一部の光のみが光源方向に反射されることを示し、図１０の（ｂ）は、光源から出た光が鉛直方向に設置された再帰反射板から反射される光経路を示したもので、光源から出た光はいずれも光源に向かって反射されている。また、図１０の（ｃ）は、鉛直面に対して傾斜して設置された再帰反射板から反射されるときの光経路を示したもので、この場合も、再帰反射板から反射された光がいずれも光源に復帰される様子を示している。また、このような現象は、光源から出た光が再帰反射板から反射されるとき、再帰反射板の傾斜角とは関係なく、全てが光源に復帰されることを意味する。

また、光源と鉛直に設置された再帰反射板との間に透明被検体が通過しながら、透明被検体の傾斜した部分がスキャニングされる場合にも、光が傾斜した部分を透過して再帰反射板から反射されるとき、再帰反射板に入射された光はいずれも光源方向に向かうので、透明被検体が傾斜した場合にも鮮明な映像を得ることができる。

また、本発明において反射体として再帰反射板を使用する場合、被検体に振動が発生する場合にも被検体に対する正確な映像を得ることができる。

図１１は、本発明において再帰反射板が凹面鏡の役割をし、光が１ヶ所に集まることを説明する光経路である。

図１１の（ａ）は、光源２５から発散された光がハーフミラー２９から反射され、再帰反射板３１から再反射された後、ハーフミラー２９を通過して焦点に集まることを示している。これに対して、図１１の（ｂ）は、（ａ）に比べて光源２５が再帰反射板３１から遠ざかったことを示しているが、（ａ）と同様に、再帰反射板３１から反射された光は、光源２５が焦点距離に位置する場合と同様に反射される。図１１の（ｃ）は、（ｂ）に比べて光源２５がさらに遠ざかったことを示し、点光源が焦点距離に位置する場合と同様に各反射光の光経路を形成する。

このように再帰反射板３１から反射される光は、光源２５を焦点とする光と同一の光経路を形成し、光源２５と再帰反射板３１との隔離距離が可変する場合にも光源２５を焦点とする光経路を形成する。したがって、光源２５と再帰反射板３１との間に被検体３５が通過し、通過する被検体３５と再帰反射板３１との間又は被検体３５と光源２５との間の距離が振動によって可変する場合にも、常に再帰反射板３１から反射された光が光源２５を焦点とする光経路を形成するので、被検体３５に振動が発生する場合にも被検体３５の正確な映像を得ることができる。

図１２は、本発明の他の実施例において反射被検体に対する光経路を示した構成図である。

反射被検体４１の上面にはスリットを有するマスク３３が設置され、光源２５から発散された光は、ハーフミラー２９から反射された後、反射被検体４１に一定の傾斜角で入射される。そして、反射被検体４１から反射された光は、再帰反射板３１に入射された後、再帰反射板３１から反射される。そして、反射被検体４１から再反射された光は、ハーフミラー２９及び結像レンズ２１を通過した後、ラインＣＣＤ２３で結像され、再帰反射板から再反射された光が１ヶ所に集まる場所にナイフエッジ３１が設置される。

反射被検体４１の上面に凸状欠点３９がある場合、光源から発散された光経路は線ａのように示され、反射被検体４１に対する結像のための光経路は線ｂのように示され、凸状欠点３９によって屈折される光経路は線ｃのように示される。線ｃはナイフエッジ３１によってラインＣＣＤ２３に到達しないので、線ｃが到達すべき部分には暗い映像が具現されるが、図３を参照して説明したように、暗い部分と明るい部分に対する明るさの勾配を形成するので、凸状欠点に対する明確な映像を得ることができる。

図１２のＢは、ラインＣＣＤで得られた映像を示し、図１２のＣは、Ｂの映像の明るさの強さに対するグラフを示したもので、図７のＢ、Ｃのように、ナイフエッジの設置効果によって鮮明な映像を得ることができる。

図１３は、本発明の反射被検体でのナイフエッジの設置効果を説明する構成図であって、映像及び明るさの強さを示したものである。

図１３は、図１２の反射被検体４１の凸状欠点３９がマスク３３のスリットを通過するときの光経路を示したものである。スリットの下部を通過する反射被検体４１をスリットの上部から見ると、再帰反射板３１から反射される光の光経路は、（Ａ１）、（Ａ２）、（Ａ３）、（Ａ４）、（Ａ５）のような順に表現される。（Ａ１）の状態は、再帰反射板３１から反射された光が欠点のない部分から反射され、ＢのＣＣＤ映像で平均明るさを示している状態であって、明るさのグラフＣで中間明るさの強さ値を有する。

また、（Ａ２）の状態は、再帰反射板３１から反射された光が凸状欠点３９の前部から屈折され、ナイフエッジ１３によって遮断される状態を示し、このときは、映像Ｂから最も暗い部分の映像が撮像され、グラフＣで最も低い強さを有するようになる。

また、（Ａ３）の状態は、再帰反射板３１から反射された光が凸状欠点３９の正常部分の平面から反射されることから、ナイフエッジ１３によって遮断されない状態を示し、凸状欠点３９が存在しない状態と同様に、映像Ｂで中間明るさを示し、グラフＣで強さの中間値を有する。

また、（Ａ４）の状態は、再帰反射板３１から反射された光が凸状欠点３９の後部から反射されて他の光線と重複することから、光の補強が起きる状態を示し、映像Ｂで明るい部分を撮像するようになり、このとき、グラフＣの明るさの強さの値も最上に形成される。

また、（Ａ５）の状態は、凸状欠点３９がマスクのスリットを通過した状態を示し、（Ａ１）の状態と同様の映像とグラフを有するようになる。

このように再帰反射板から反射された光が凸状欠点３９によって不規則に反射されるとき、正常部位から反射される反射光と凸状欠点３９によって不規則に反射される反射光には補強と相殺が起きるが、相殺される光をナイフエッジによって遮断するので、補強のみが起きるようになる。したがって、補強される点と相殺される点の明るさ差を弱くし、凸状欠点３９に対する映像の敏感度を高め、光量の強さに対する勾配を得られるようにし、映像に対する３次元情報を得ることができる。

また、本発明の一実施例では、ナイフエッジを使用して映像の敏感度を増加させた。また、映像の敏感度は、ナイフエッジを光学系の光軸に接近させることによってさらに増加するようになる。また、被検体の欠点で屈折角又は反射角が同一である場合、光源が大きい場合に比べて光源が小さい場合に光量変化が大きくなるので、敏感度が増加するようになる。また、被検体の前面に設置されるマスクのスリット幅を減少させると、光の相互間の干渉を減少できるので、より敏感な映像を得ることができる。

本発明によると、ナイフエッジによって映像の明るさに勾配を有する敏感度の高い映像を得ることによって、被検体の欠点を明確に認識することができる。

Claims

入射される光を反射させる反射被検体に光を照射する光源；
前記反射被検体から反射されてから入射される光を前記反射被検体に再帰反射させる再帰反射板；
前記再帰反射板から再帰反射された再帰反射光が前記反射被検体に入射されてから反射される反射光を結像させる結像レンズ；
前記結像レンズを通して入射される光を撮像する撮像手段；及び
前記結像レンズと前記反射被検体との間に設置され、前記結像レンズの光軸に対して垂直に設置されるナイフエッジ；を含むことを特徴とする欠点検査のための検査装置。
前記反射被検体と前記光源との間にはスリットが形成されたマスクが設置され、前記反射被検体は移動し、前記撮像手段に撮像される映像はラインスキャニングされることを特徴とする、請求項１に記載の欠点検査のための検査装置。
前記光源のサイズを減少させる方法、前記マスクのスリット幅を減少させる方法及び前記ナイフエッジを光軸に接近させる方法のうち１つ又は２つ以上を選択することによって前記映像の敏感度を増加させることを特徴とする、請求項１又は２に記載の欠点検査のための検査装置。
前記光源から出発した光は、前記反射被検体に傾斜して入射され、前記反射被検体から反射された光は、前記再帰反射板に入射されてから再帰反射され、前記再帰反射板から再帰反射された光は前記反射被検体の欠点から反射され、前記欠点から反射された光が補強と相殺を発生させるとき、前記ナイフエッジは、相殺を発生させる光が前記結像レンズに入射されることを遮断することを特徴とする、請求項２に記載の欠点検査のための検査装置。
入射される光を透過させる透過被検体に光を照射する光源；
前記透過被検体に透過されて入射された光を前記透過被検体に再帰反射させる再帰反射板；
前記光源と前記透過被検体との間に設置され、スリットが形成されたマスク；
入射された光によって像を形成する撮像手段；
前記再帰反射板から再帰反射されて前記透過被検体を透過した光を集束させて前記撮像手段に結像する結像レンズ；及び
前記結像レンズと前記透過被検体との間に設置され、前記結像レンズの光軸に対して垂直に設置されるナイフエッジ；を含むことを特徴とする欠点検査のための検査装置。
前記光源のサイズを減少させる方法、前記マスクのスリット幅を減少させる方法及び前記ナイフエッジを光軸に接近させる方法のうち１つ又は２つ以上を選択することによって前記映像の敏感度を増加させることを特徴とする、請求項５に記載の欠点検査のための検査装置。